灯单元电源系统的制作方法
【专利摘要】一种为气体放电灯单元(5)供应电弧电力和阴极电力的电源系统。该系统包括：用于从电源(15)接收电力的紧急驱动器(17)。该驱动器为灯提供电弧电力和阴极电力。该驱动器调整向灯单元提供的总功率，并改变作为电弧电力和作为阴极电力提供的总功率的比例，以根据情况提供优化的电弧电力和阴极电力。
【专利说明】灯单元电源系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于为灯单元供应电力的电源系统，以及用于为灯单元供应电力的电力供应方法。
【背景技术】
[0002]已知用于提供常规照明和紧急照明这二者的照明系统的各种设备。这种紧急照明旨在当常规照明因为对常规照明的直接电力线电源不再可用或发生故障而不再起作用时激活。紧急照明通常通过电池或其它能量存储装置供电。常规照明由开关控制，用户(或控制系统)可通过开关来控制是否点亮照明。一般来说，紧急照明旨在当按照一些方式检测到用于常规照明的电力线电力不存在或电力线电力故障时自动点亮。紧急照明可用于允许从建筑物中逃生，否则由于常规照明不起作用，建筑物将处于黑暗。
[0003]紧急照明和常规照明可共享组件。例如，同一灯(诸如气体放电灯或发光二极管)可用于常规照明和紧急照明这二者。也可共享其它组件。
[0004]可认为包括紧急照明和常规照明的照明系统具有两种操作模式。在正常模式中，当直接电力线电源正常操作时(在正常电压范围内)，通过开关控制的切换的电力线输入被监测，并且根据切换的电力线输入将灯点亮或熄灭。在紧急模式中，当电力线电源不再可用或者发生故障(在正常电压范围之外)时，灯利用来自电池或其它存储元件的电力被自动点亮，与切换的电力线输入端的状态无关。
[0005]图1示意性地示出了提供正常模式和紧急照明模式这二者的照明设备的元件。电力线AC电源I在正常模式中向针对用于电力线电源I而优化的电力线镇流器3提供电力。当电力线继电器7闭合时，电力线镇流器3驱动灯5。控制电路(未示出)监测电力线AC电源I。如果该控制电路检测到电力线AC电源中断，或者如果确定发生故障(在可接受的值范围以外操作)，则该控制电路可向继电器控制线9提供合适的信号，以将电力线继电器7开路且将紧急情况继电器11闭合。紧急情况继电器11允许在紧急模式下驱动灯5。
[0006]为了提供紧急模式，除电力线继电器7、继电器控制线9和紧急情况继电器11之夕卜，紧急照明设备还包括电池充电器13、电池15和紧急驱动器17。
[0007]当电力线AC电源I正常操作(并且灯5由电力线镇流器3供电)时，电池15由电池充电器13充电(连续地或当需要时)。电池充电器13在AC电力线电源I与电池15之间提供电隔离(galvanic isolat1n)。当该控制电路检测到AC电源I中断(或故障)时，紧急情况继电器11闭合(电力线继电器7开路)，并且紧急驱动器17利用来自电池15的电力点亮灯5。紧急驱动器17提供电池15与灯5的电隔离。
[0008]本领域技术人员应该清楚，诸如荧光灯这样的气体放电灯需要由灯电弧电源在灯电极之间施加电弧电压。对于多数气体放电灯，灯阴极由阴极电源加热以加热阴极灯丝，从而使得它们利用热离子发射将电子发射至灯管内的气体中。
[0009]已知的紧急照明设备不提供针对最佳灯操作来控制灯电力的有效方式。
[0010]已知的紧急照明设备不提供针对最佳电池操作控制电池放电的有效方式。
【发明内容】
[0011]在一个方面，本发明提供一种用于为灯单元供电的电源系统，该系统包括驱动器，该驱动器用于从电源接收电力并且可操作用于为灯从电源提供电力，其特征在于，驱动器可操作用于调整从电源向灯单元提供的总功率。
[0012]该驱动器可改变从电池抽取的电流的比例。该驱动器还可调整从电源向灯单元提供的总功率，并且可选地，可调整提供作为电弧电力和作为阴极电力的功率。
[0013]照明系统可为紧急照明系统。电源可为电池或其它电荷储存装置。
[0014]灯单元可以包括一种或更多种灯，诸如发光二极管(LED)，或例如荧光灯这样的气体放电灯。
[0015]在另一个方面，本发明提供了一种用于为灯单元供电的电源系统，该系统包括驱动器，该驱动器用于从作为电源的电池接收电力并且可操作用于为灯从电源提供电力，其特征在于，驱动器可操作用于调整从电源向灯单元提供的总功率以及调整使从电池抽取的电流处于最佳水平，而不管所述电池的特性的改变或所述灯单元特性的变化。
[0016]驱动器可调整使得从电池抽取的电流或功率处于最佳水平，而不管所述电池的特性的改变或所述灯单元特性的变化。
[0017]驱动器可调整第一参数以设置供应的电弧电力与阴极电力的比率，随后可调整第二(不同的)参数以在保持所设置的比率的同时设置向灯单元提供的总功率。第一参数可为驱动器的至少一个开关的操作频率，并且第二参数可为该驱动器的至少一个开关的占空t匕，该开关控制或每个开关控制从电源向灯施加电力。
[0018]驱动器可包括输入部和输出部。优选地，输入部和输出部被电隔离。
[0019]输出部可包括多个电路，各个电路具有不同的频率响应，并且其中，输入部可操作用于在选择的频率为输出部供电以提供电弧电力与阴极电力的期望比例。因为电路具有不同的频率响应，因此各个电路中的电源电流的比例在不同频率处是不同的。将要描述的实施方式通过选择合适的频率(在该合适的频率，频率响应为使得用于电弧电力和阴极电力的各个比例的功率存在)，来允许提供期望比例的可用功率作为电弧电力和阴极电力。然而，在选择的频率，电池电流可能不处于期望水平，并且在该实施方式中，电池电流可以减小，以调整向灯单元提供的总功率。电路可为多阶电路。电路可为二阶电路，诸如L和C串联以及L串联和C并联电路。
[0020]输出部可仅通过无源组件形成。输出部可包括滤波器级和整流器。输入部可操作用于在选择的频率或脉宽为输出部供电，以提供期望量的灯功率或者以调整从电池抽取的电流或功率的量。
[0021]输入部可包括脉宽调制装置，其可操作用于调整向灯单元提供的总功率，因此使得能够从电源抽取最佳电流，其可独立于频率选择来控制。
[0022]驱动器可包括推挽式转换器，诸如DC-AC推挽式变换器、反激式转换器、升压转换器或其它类型的开关转换器。
[0023]系统可被操作以当灯的质量或数量改变时当灯单元改变时保持期望水平的电弧电力和期望水平的阴极电力。例如，灯可改变为具有不同特性的灯，或者可将另一灯加至灯单元。这些可以在安装系统之后由用户完成。
[0024]系统可操作用于当电源改变时保持期望水平的灯功率。例如，电池可更换，或者可添加附加单元。这些可以在安装系统之后由用户完成。
[0025]本发明还提供了一种紧急照明设备，其包括以上限定的电源系统，其还可包括上述电源。
[0026]本发明还提供了一种如在权利要求书中定义的电力供应方法。
[0027]本发明还提供了一种用于为灯单元供应电力的电力供应方法，其中，驱动器从电源接收电力，以为灯从电源提供电力，其特征在于，驱动器可操作用于当灯单元中的灯的数量或质量改变时或者当电源改变时保持从电源向灯单元提供的期望水平的总功率。
[0028]在一个实施方式中，描述了一种功率控制方法,该方法利用空载时间或占空比控制形式的脉宽调制(PWM)以在用于从电池组驱动灯的紧急情况转换器的输出处获得为了对灯供电的从电池抽取的合适电流或功率水平。升压变换器在具有电隔离的情况下将频率矩形对称波形供应至输出端。所使用的转换器可为逆反激式。其它输出电路设备也是可以的。也可应用其它调制方法。
[0029]该系统允许添加另一电池作为在紧急模式中提高灯功率的方式。可应用PWM以调制总输出功率，使紧急系统适应于额外电池。如果电池改变，例如添加附加单元(或用不同电池更换该电池)，或者以任何其它方式改变，则这可改变标称电流。响应于此，可调整开关占空比以使得从电池抽取的电流处于最佳水平，而不管电池的特性改变。
[0030]在一个实施方式中，描述了一种功率控制方法,该方法利用空载时间或占空比控制形式的脉宽调制(PWM)和频率调制(FM)，以在用于从电池组驱动荧光灯的紧急情况转换器的输出获得用于灯电弧和阴极的合适功率水平。升压变换器在具有电隔离的情况下将高频率矩形对称波形供应至输出端。使用的转换器可为逆dc-ac推挽式。所述输出包括三个二阶电路:一个用于电弧的L串联C并联电路；两个用于阴极的相同的L和C串联电路。其它输出电路设备也是可以的。
[0031]如果用于灯电弧和灯阴极的对应的输出电路设备具有不同的频率响应，则原则上，可使用频率调制来选择使对应的输出电路的响应提供期望比例的用于灯电弧的功率和期望比例的用于灯阴极的功率的频率。然而，在提供期望频率响应的频率处，从电池组抽取的电流可能不是最佳电流。PWM允许在任何选择的频率抽取最佳电流。
[0032]例如，如果仅应用频率调制/控制，则对多灯兼容系统以及两个滤波器类型的固定频率响应的需要在一些负载情况下导致非优化的功率比。可应用PWM，以在功率调制中增加另一自由度，能够获得优化的电弧与阴极供应。在设置了用于实现正确的电弧与阴极电力比的频率时，PWM就可调制正确水平的总输出功率，这得到灯的优化的功率。在该实施方式中，功率调制由设置平均电池放电电流的特定平均值组成。
[0033]该系统允许添加另一电池作为在紧急模式中仅提高灯电弧电力的装置。然而，对于仅应用FM的情况，该特性不现实。再次地，FM可设置最佳功率比，并且可应用PWM以调制总输出功率，使紧急系统适应于附加电池。
[0034]将描述的实施方式示出了怎样实现能够按照优化方式针对所有灯情况应用合适的电弧电力与阴极电力的系统和方法。此外，实施方式允许添加附加电池的增加，以仅提高电弧电力而非将具有相似电弧-阴极比率的额外功率转移至负载。通过应用这种调制技术也可减少电池数。
[0035]用于优化在紧急模式下向灯电弧和阴极传送的功率水平的调制的实施方式的系统和方法的一种可能的实现方式可如下:
[0036]1、使得能够荧光灯镇流器中的从电池组供应合适的电源水平以用于灯电弧和阴极。
[0037]2、使得在紧急操作模式下在荧光灯紧急单元中合适的电源水平能够用于灯电弧和阴极。
[0038]3、在不改变荧光灯紧急单元中的电路的情况下，除频率调制以外，提供调整灯电弧电力和阴极电力的可能性。
[0039]4、在利用相同紧急单元的多灯电源的情况下，针对各个特定输入电压和负载情况(灯类型)，优化供应至荧光灯电弧和阴极的功率。
[0040]5、在向荧光灯紧急单元的组添加电池(或多个电池)的情况下，在紧急情况下将从该添加可得的电力转移至仅电弧，从而提高镇流器流明系数(BLF)。
[0041]6、在从荧光灯紧急单元的电池组减个电池(或多个电池)的情况下，使得在紧急模式下能够设置在灯电弧和阴极中最优化的功率水平(在这种情况下，通常增大阴极中的功率和减小灯中的功率)。
[0042]7、使得能够通过校准过程在生产中调整荧光紧急单元的(灯电弧和阴极)的输出功率水平。
[0043]8、在发光二极管用作灯负载(无阴极加热)的情况下以上特性可限于灯功率。
[0044]该实施方式提供独立于灯类型和电池组电压的、灯(例如荧光灯电弧和阴极)中的功率调制/控制。由于针对仅应用FM的多灯和多电池由于滤波器和灯特性而不能够设置合适的功率水平，因此PWM的使用增加了另一自由度，使得能够进行需要的调制。
[0045]由于一些实施方式描述了荧光灯驱动器，因此必须说明这种系统仅是为了更好地理解而描述的一个示例，本发明可用于诸如发光二极管等的其它类型的灯驱动器。电弧电力与作为产生光的电力的灯电力相关。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]为了更好地理解本发明，现在将参照附图通过举例的方式描述实施方式，其中:
[0047]图1示意性地示出了提供正常模式和紧急照明模式这二者的照明设备的元件；
[0048]图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的紧急驱动器；
[0049]图3示出了根据本发明的实施方式的连接至灯和电池的紧急驱动器电路；
[0050]图4示出了图3的紧急驱动器电路的输入部产生的矩形交流输出电压，纵轴表示电压，横轴表不时间；
[0051]图5示出了在频率上的荧光灯电弧电流响应，纵轴表示以安培为单位的电流，横轴表示以赫兹为单位的频率；
[0052]图6示出了在频率上的灯阴极电流响应，纵轴表示以安培为单位的电流，横轴表示以赫兹为单位的频率；
[0053]图7示出了在频率上的荧光灯电弧和阴极电流响应，纵轴表示以安培为单位的电流，横轴表示以赫兹为单位的频率；
[0054]图8示出了在频率上的荧光灯电弧功率响应、阴极功率响应和总功率，纵轴表示以瓦特为单位的功率，而横轴表示以赫兹为单位的频率；
[0055]图9示出了在频率上的总功率响应,纵轴表示以瓦特为单位的功率,横轴表示以赫兹为单位的频率；
[0056]图10示出了针对灯电弧、阴极和总供应功率的电池电流频率响应，纵轴为安培为单位的电流，而横轴为以赫兹为单位的频率；
[0057]图11示出了反应在100%占空比和减小的占空比的频率响应的由于阴极电力和电弧电力导致的电池电流，纵轴为安培为单位的电流，横轴为以赫兹为单位的频率；以及
[0058]图12示出了反应在100%占空比和减小的占空比的频率响应的由于阴极电力和电弧电力导致的电池电流，纵轴为安培为单位的电流，横轴为以赫兹为单位的频率。
[0059]在附图中，相同的元件由相同的附图标记指代。
【具体实施方式】
[0060]如上面简要讨论的，图1所示的照明设备包括控制单元(未示出)，该控制单元检测AC电力线是否存在以及是否正确操作——诸如AC电力线电源I是否存在高于特定阈值(在230伏特的标称电源中的例如187伏特)的电压。当AC电力线电源I存在并正确操作时，电力线镇流器3提供电力以通过闭合的继电器7点亮灯。来自AC电力线电源I的电力还被提供至电池充电器13以为电池15充电(或保持电池15完全充电)。电池15可包括多个单元。可使用其它能量存储装置来代替电池15。
[0061]当控制单元检测到AC电力线电源I中断或故障时——诸如当电力线AC电源I存在低于特定阈值(在230伏特的标称电源中的例如145伏特)的电压时，控制单元将电力线继电器7开路，将紧急情况继电器11闭合，并激活紧急驱动器17。紧急驱动器17经闭合的紧急情况继电器11提供电力以仅从电池15点亮灯5。为了安全，将AC电力线I与电池15隔离。灯5可为气体放电灯或发光二极管(LED)。
[0062]图2中示出了根据本发明的实施方式的紧急驱动器17。紧急驱动器17可包括升压转换器级19，例如具有升压特性的推挽式转换器，升压转换器级19的输入直接连接至电池15。升压转换器级19还可包括推挽式转换器接着升压转换器的组合，或升压转换器接着推挽式转换器的组合。
[0063]紧急驱动器17可设置有在灯5是荧光灯的情况下用于加热阴极灯丝的第一阴极电源21和第二阴极电源23，并且设置有灯电弧电源25。在发光二极管作为灯5的情况下，可仅具有灯电源25。灯电源25可为单级转换器，例如接管升压转换器级19的功能的反激式转换器。
[0064]图3示出了连接至灯5和电池15的紧急驱动器17电路的一个示例。
[0065]紧急驱动器17包括双向推挽式变换器形式的输入部X。输入部X包括在电池15上并联连接的相同的第一部分和第二部分。所述部分的每一个包括开关S/S2和一次绕组部分K。通过开*S/S2的交替操作，输入部产生矩形交流输出电压，如图4所示。输出可包括当开关S1和S2这二者闭合时当输出处于零伏特时的“空载时间”D。开关的占空比确定空载时间的持续时间。由驱动器控制器(未示出)控制开关的每一个闭合的时间和开关的操作(开路/闭合)频率。
[0066]紧急驱动器17的输入部X为输出部Y供电。经由输出部Y的推挽式变换器的两个相同的二次绕组N3(LC串联的相同滤波器连接至二次绕组N3)为各灯阴极30A和30B供电，。第一阴极30A经串联的电容器Cfl和电感器Lfl连接至第一二次绕组32A。第二阴极30B经串联的第二电容器Cf2和电感器Lf2连接至第二二次绕组32B。
[0067]由推挽式变换器的另一二次绕组40通过L串联C并联滤波器为灯电弧供电，该L串联C并联滤波器包括电感器Ls (在二次绕组40与第一阴极30A之间串联)和电容器Cl(在第一阴极30A与第二阴极30B上并联)。
[0068]将具有与电池电压和匝数比成比例的幅度的电压施加至灯滤波器，如算式⑴所描述的。
[0069]
【权利要求】
1.一种用于为灯单元供电的电源系统，该系统包括驱动器，该驱动器用于从作为电源的电池接收电力并且可操作用于为灯从所述电源提供电力，其特征在于，所述驱动器可操作用于调整从所述电源向所述灯单元提供的总功率以及调整使从所述电池抽取的电流处于最佳水平，而不管所述电池的特性的改变或所述灯单元特性的变化。
2.一种用于为气体放电灯单元供应电弧电力、和阴极电力的电源系统，该系统包括驱动器，该驱动器用于从电源接收电力，并且可操作用于从所述电源提供灯电弧电力和阴极电力，其特征在于，所述驱动器可操作用于调整从所述电源向所述灯单元提供的总功率以及改变其作为电弧电力和作为阴极电力提供的比例。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述驱动器包括输入部和输出部。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述输出部包括多个电路，各个电路具有不同的频率响应，以及其中，所述输入部可操作用于在选择的频率对所述输出部供电以提供电弧电力与阴极电力的期望比例。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其中，所述输入部包括脉宽调制装置，该脉宽调制装置可操作用于控制至少一个开关来调整从所述电源向所述灯单元提供的总功率。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述驱动器包括推挽式转换器。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的系统，其中，所述驱动器可操作用于当所述灯单元中的灯的数量或质量改变时保持期望水平的电弧电力和期望水平的阴极电力。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述驱动器可操作用于当所述电源改变时保持期望水平的电弧电力和期望水平的阴极电力。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，所述电源包括电池。
10.一种用于为灯单元供应电力的电源系统，该系统包括驱动器，该驱动器用于从作为电源的电池接收电力并且可操作用于为灯从所述电源提供电力，其特征在于，所述驱动器可操作用于当所述灯单元中的灯的数量或质量改变时或者当所述电源改变时保持从所述电源向所述灯单元提供的期望水平的总功率。
11.一种紧急照明设备，该紧急照明设备包括权利要求1至10中任一项所述的电源系统。
12.根据权利要求11所述的紧急照明设备，该紧急照明设备包括电源。
13.一种用于为灯单元供应电力的电力供应方法，其中，驱动器从电源接收电力，以为灯从所述电源提供电力，其特征在于，所述驱动器可操作用于当所述灯单元中的灯的数量或质量改变时或者当所述电源改变时保持从所述电源向所述灯单元提供的期望水平的总功率。
14.一种用于为气体放电灯单元供应电弧电力和阴极电力的电力供应方法，其中，驱动器从电源接收电力以从所述电源提供灯电弧电力和阴极电力，其特征在于，所述驱动器调整从所述电源向所述灯单元提供的总功率以及改变其作为电弧电力和作为阴极电力提供的比例。
15.根据权利要求14所述的电力供应方法，其中，所述驱动器调整第一参数以设置供应的电弧电力与阴极电力的比率，随后调整第二参数以在保持设置的比率的同时设置提供至灯单元的总功率。
16.根据权利要求13、14或15所述的方法，其中，所述驱动器包括输入部和输出部。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述输出部包括多个电路，各个电路具有不同的频率响应，以及其中，所述输入部在选择的频率对所述输出部供电以提供电弧电力与阴极电力的期望比例。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述输入部利用脉宽调制以控制至少一个开关来调整从所述电源向所述灯单元提供的总功率。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述驱动器包括推挽式转换器。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的方法，其中，当所述灯单元中的灯的数量或质量改变时，所述驱动器保持期望水平的电弧电力和期望水平的阴极电力。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其中，当所述电源改变时，所述驱动器保持期望水平的电弧电力和期望水平的阴极电力。
22.根据权利要求13至21中任一项所述的方法，其中，所述电源包括电池。
【文档编号】H05B41/295GK104205563SQ201380015316
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月19日 优先权日:2012年3月19日
【发明者】I·威尔逊 申请人:赤多尼科英国有限公司